高中物理第十四章电磁波第5节电磁波谱学案新人教版选修34.docx

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高中物理第十四章电磁波第5节电磁波谱学案新人教版选修34

第5节　电磁波谱

1．知道什么是电磁波谱，知道电磁波谱中不同波长范围的电磁波。

2．了解不同波长范围的电磁波的特性以及应用。

3．知道电磁波可以传递能量，知道太阳辐射的特点。

电磁波谱：

把各种电磁波按波长或频率的大小顺序排列起来，就组成了

电磁波谱。

按照波长从长到短依次排列为：

无线电波、

红外线、

可见光、

紫外线、

X射线、

γ射线。

不同的电磁波由于具有不同的

频率（波长），才具有不同的特性。

1．无线电波

波长大于1mm（频率小于300GHz）的电磁波是无线电波，主要用于

通信和

广播。

2．红外线

它是一种光波，它的波长比无线电波短，比可见光长，不能引起人的视觉。

所有

物体都发射红外线，热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射

强，主要应用于加热、红外摄影等。

3．可见光

可见光的波长在760nm到400nm之间。

分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。

不同颜色的光波长（频率）

不同。

4．紫外线

波长范围在5nm到370nm之间，不能引起人的视觉，紫外线具有较高的能量，因此可以利用紫外线

灭菌消毒；许多物质在紫外线的照射下会发出荧光，根据这一点可以设计

防伪措施。

5．X射线和γ射线

（1）X射线

X射线能够穿透物质，可以用来

检查人体内部器官；在工业上，利用X射线

检查金属零件内部的缺陷。

（2）γ射线

具有很高的能量，穿透能力更强。

主要应用有：

医学上具有治疗

癌症的作用，工业上具有

探测金属部件内部的缺陷。

6．电磁波传递能量

电磁波传递

能量，电磁波是一种

物质。

7．太阳辐射

太阳辐射中不仅含有可见光，还有无线电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线，其能量主要集中在

可见光、

红外线和

紫外线三个区域。

判一判

（1）X射线是电磁波，它由速度较高的电子构成。

（　　）

（2）紫外线在真空中的传播速度大于可见光在真空中的传播速度。

（　　）

（3）可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪。

（　　）

提示：

（1）×　

（2）×　（3）×

课堂任务　电磁波谱及各种电磁波

一、电磁波谱

1．电磁波谱及介绍

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线合起来便构成了范围非常广阔的电磁波谱。

如图所示是按波长由大到小（频率由小到大）顺序排列的。

（1）无线电波

波长大于1mm（频率小于300GHz）的电磁波是无线电波。

无线电波用于通信、广播及其他信号传输。

广播电台和电视台都有发射无线电波的设备，许多自然过程也辐射无线电波。

如天文学家用射电望远镜接收天体辐射的无线电波，进行天体物理研究。

（2）红外线

红外线是一种光波，它的波长比无线电波短，比可见光长。

所有物体都发射红外线。

热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。

肉眼看不见红外线，但能够感受它。

寒冷的冬天当你在炉旁烤火时，你的皮肤正在享受红外线带来的温暖。

红外线主要有以下应用：

①人体在发射红外线，体温越高，发射的红外线越强。

根据这个原理，红外体温计不与身体接触也可以测体温。

②红外探测器能在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射，这是夜视仪器和红外摄影的基础。

③用灵敏的红外探测器吸收远处物体发出的红外线，然后用电子电路对信号进行处理，可以得知被测对象的形状及温度、湿度等参数。

这就是红外遥感技术。

利用红外遥感可以在飞机或人造地球卫星上勘测地热、寻找水源、监视森林火情、预报风暴和寒潮。

红外遥感在军事上的应用也十分重要。

④加热物体：

红外线很容易使物体的温度升高，如市场上的“远红外烤箱”。

（3）可见光

可见光的波长在760nm到400nm之间，不同颜色的光是波长（频率）范围不同的电磁波。

天空看起来是蓝色的，是由于波长较短的光比波长较长的光更容易被散射，傍晚的阳光比较红，是由于大气对波长较短的蓝光、紫光比波长较长的红光、橙光吸收较强的缘故。

（4）紫外线

紫外线具有较高的能量，足以破坏细胞核中的物质。

因此，可以利用紫外线灭菌消毒。

太阳光里有许多紫外线，人体接受适量的紫外线照射，能促进钙的吸收，改善身体健康。

但过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤。

许多物质在紫外线的照射下会发出荧光，根据这一点可以设计防伪措施。

（5）X射线和γ射线

人们用X射线管来产生X射线。

X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变。

X射线能够穿透物质，可以用来检查人体内部器官。

在工业上，利用X射线检查金属零件内部的缺陷。

机场、车站等地进行安全检查时，X射线能轻而易举地窥见箱内的物品。

“CT”是“计算机辅助X射线断层摄影”的简称。

X射线以不同角度照射人体，计算机对其投影进行分析，给出类似于生理切片一样的人体组织照片。

医生可以从中看出是否发生了病变。

波长最短的电磁辐射是γ射线，它具有很高的能量。

γ射线能破坏生命物质。

把这个特点应用在医学上，可以摧毁病变的细胞，用来治疗某些癌症。

γ射线的穿透能力很强，可用于探测金属部件内部的缺陷。

2．各种电磁波的共性与个性

（1）共性

①它们在本质上都是电磁波，它们遵循相同的规律，各波段之间并没有绝对的界线。

②都遵守公式v＝λf，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108m/s。

③它们的传播都不需要介质。

④它们都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振的特性。

（2）个性

①不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性，波长越长，越容易产生干涉、衍射现象，波长越短，穿透能力越强。

②同频率的电磁波在不同介质中传播速度不同。

不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越大，折射率越大，速度越小。

③用途不同。

二、电磁波传递能量

电磁波是运动中的电磁场，它可以传递能量。

微波炉的工作应用的是一种电磁波——微波。

食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，温度升高，内能增加。

增加的能量是微波传递给它的。

各种各样的仪器能够探测到许许多多电磁波，说明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。

三、太阳辐射的特点

太阳光中含有无线电波、可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线。

太阳辐射的能量主要集中在可见光、红外线和紫外线三个区域，如图所示。

从图中可以看到，波长在5.5×10－7m的黄绿光附近，辐射的能量最强。

我们的眼睛正好对这个区域的电磁辐射最敏感。

眼睛把太阳在最强辐射区的辐射作为自己的接收对象，这样就能看到最多的东西，获得最丰富的信息。

例　关于电磁波的特性和应用，下列说法正确的是（　　）

A．红外线和X射线都有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体

B．过强的紫外线照射有利于人的皮肤健康

C．电磁波谱中频率最大的为γ射线，最容易发生衍射现象

D．紫外线和X射线都可以使感光底片感光

（1）医学上常用于透视人体的是哪种射线？

为什么？

提示：

X射线，X射线的穿透本领强。

（2）在电磁波中由红外线到γ射线，频率最大的是什么射线？

波长最长的是什么射线？

提示：

γ射线的频率最大，红外线的波长最长。

[规范解答]　X射线有很高的穿透本领，常用于医学上透视人体，红外线没有，A错误；过强的紫外线照射对人的皮肤有害，B错误；电磁波谱中频率最大的为γ射线，其波长最短，最不容易发生衍射现象，C错误。

[完美答案]　D

电磁波谱相关问题解题方法

（1）熟记各种电磁波的特性及应用。

（2）按电磁波谱的排列顺序，波长越长，频率越低，衍射能力越强，穿透能力越弱；波长越短，频率越高，衍射能力越弱，穿透能力越强。

　2011年3月11日，日本发生里氏9.0级地震，地震和地震引发的海啸造成大量建筑物倒塌。

为了将埋在倒塌建筑中的被困者迅速解救出来，我国及时派出了救援队。

救援队在救援过程中使用生命探测仪来寻找被压在废墟中的大量伤员，这种仪器主要是接收人体发出的（　　）

A．可见光B．红外线C．紫外线D．声音

答案　B

解析　不同温度的物体会发出不同频率的红外线，生命探测仪就是根据人体发出的红外线与周围环境辐射的红外线不同而寻找的，B正确。

A组：

合格性水平训练

1．（电磁波谱）下列各组电磁波，按频率由高到低的正确排列顺序是（　　）

A．无线电波、红外线、可见光、X射线

B．X射线、红外线、可见光、无线电波

C．X射线、可见光、红外线、无线电波

D．无线电波、可见光、红外线、X射线

答案　C

解析　由c＝fλ，得波长越长，频率越低。

根据电磁波按波长排列顺序，可得按频率由高到低排列的顺序是X射线、可见光、红外线、无线电波，C正确。

2．（红外线）红外夜视镜在美国对伊拉克反美武装力量实施的夜间打击中起到重要作用，红外夜视镜是利用了（　　）

A．红外线波长长，易绕过障碍物的特点

B．红外线的热效应强的特点

C．一切物体都在不停地辐射红外线的特点

D．红外线不可见的特点

答案　C

解析　一切物体都在不停地辐射红外线，而且温度不同，辐射的红外线强度不同，可利用红外线成像进行夜间观察。

3．（可见光）日出和日落时太阳看起来特别红。

这是由于（　　）

A．光的色散B．大气的全反射

C．大气的折射D．红光的波长大

答案　D

解析　太阳初升和西沉时，阳光通过较厚的空气层。

紫光、蓝光的波长较短，被空气吸收得较多；而红光的波长较长，被吸收得最少，直射而来的红光也就最多，因此，这时候太阳呈现红色。

4．（电磁波谱）太阳表面温度约为6000K，主要发出可见光；人体温度约为310K，主要发出红外线；宇宙星际间的温度约为3K，所发出的辐射称为“3K背景辐射”，它是宇宙“大爆炸”之初在空间上保留下的余热，若要进行“3K背景辐射”的观测，应该选择下列哪一个波段（　　）

A．无线电波B．紫外线

C．X射线D．γ射线

答案　A

解析　电磁波谱按波长由长到短的顺序排列为：

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，由题意知：

物体温度越高，其发出的电磁波波长越短，宇宙星际间的温度约为3K，则其发出的电磁波的波长应在无线电波波段，故A正确。

5．（各种电磁波的应用）下列说法中正确的是（　　）

①夏天太阳光把地面晒得发热是因为可见光的热效应在各种电磁波中是最强的

②医院里用X射线进行人体透视，是因为它是各种电磁波中穿透本领最大的

③科学家关注南极臭氧层空洞是因为它对动植物有害

④在热学中所说的热辐射就是红外线辐射

A．①②B．①③C．②④D．③④

答案　D

解析　热效应最强的是红外线，热辐射即红外线辐射，①错误，④正确；穿透本领最强的是γ射线，②错误；臭氧层能防止紫外线照射到地球上，使地球上的动植物免受过强紫外线的伤害，③正确，故选D。

6．（电磁波谱）太阳光通过棱镜时，在竖直放置的屏幕上形成如图所示的光带（忽略棱镜对各色光的吸收）。

若将灵敏温度计的球部放在屏幕上的MN、NP、PQ区域时，在哪个区域上升的示数最大（　　）

A．MNB．NP

C．PQD．无法确定

答案　C

解析　由光的色散可知，从Q→M各频段的电磁波依次为红外线→可见光→紫外线，由于红外线的热作用最强，故选C。

7．（电磁波谱）（多选）等离子显示屏是一种以等离子管作为发光元件，并由大量的等离子管排列在一起构成的屏幕。

每个等离子管的透明玻璃管内都充有低压的氖氙气体，管的两端各有一个电极，在两个电极间加上高电压后，封在管内的气体便产生某种肉眼看不见的射线，它激发显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。

每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化的组合，便形成了各种灰度和色彩的图像，则（　　）

A．这种射线是紫外线

B．这种射线是红外线

C．该射线使荧光粉发出可见光是利用了该射线的荧光效应

D．该射线使荧光粉发出可见光是利用了该射线的化学作用

答案　AC

解析　看不见的射线使荧光粉发光，这是紫外线的荧光效应，所以正确的选项是A、C。

8．（综合）家用微波炉是利用微波的电磁能加热食物的新型灶具，主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成，接通电源后，220V的交流电经变压器，一方面在次级产生3.4V交流电加在磁控管灯丝两端，另一方面在次级产生2000V高压，经整流加到磁控管的阴、阳两极之间，使磁控管产生频率为2450MHz的微波，微波输送至金属制成的加热器（炉腔），被来回反射，微波的电磁作用使食物内分子高频地振动同时内外迅速变热，并能最大限度地保存食物中的维生素。

（1）试计算变压器的升压变压比；

（2）导体可反射微波，绝缘体可使微波透射，而食物通常含有的成分是蛋白质、淀粉、水，较易吸收微波能且转换成热，故在使用微波炉时应注意________。

A．用金属容器将食物放入炉内加热

B．用陶瓷容器将食物放入炉内加热

C．将微波炉置于磁性材料周围

D．将微波炉远离磁性材料周围

答案　

（1）11∶100　

（2）BD

解析　

（1）变压器输出电压U2＝2000V，

输入电压U1＝220V，则有

＝

＝

＝

。

（2）食物内通常含有的成分是蛋白质、淀粉、水，易吸收微波而转换成热；由于导体能反射微波，绝缘体使微波透射，所以应用陶瓷容器盛食物，为避免对磁控管的影响，微波炉应远离磁性材料。

B组：

等级性水平训练

9．（各种电磁波的应用）下列说法正确的是（　　）

A．只有物体温度较高时，才能向外辐射红外线

B．紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用

C．可见光比红外线容易发生衍射现象

D．X射线能在磁场中偏转，穿透力较强，可用来进行人体透视

答案　B

解析　一切物体都能辐射红外线，与物体的温度无关，A错误；紫外线的主要作用是化学作用和荧光作用，B正确；红外线比可见光波长更长，更容易发生衍射现象，C错误；X射线是电磁波，不带电，在磁场中不偏转，D错误。

10．（各种电磁波及其应用）（多选）关于电磁波的下列说法，正确的是（　　）

A．可见光实质也是一种电磁波，红光波长最短

B．不同波长的电磁波，波长越小其频率越高

C．红外遥感是利用了红外线波长较长的特点

D．验钞机检验钞票真伪体现了紫外线的荧光作用

E．X射线可深入人的骨骼，杀死病变细胞

答案　BCD

解析　在可见光中，红光波长最长，A错误；X射线虽然有一定的穿透能力，但不能深入骨骼，E错误；B、C、D正确。

11．（各种电磁波的应用）（多选）下列说法中正确的是（　　）

A．红外线易穿透云层，故广泛应用于遥感技术领域

B．医院用X光进行透视，是因为它是各种电磁波中穿透能力最强的

C．阳光可以晒黑皮肤，主要是阳光中红外线的作用

D．电取暖器利用了红外线的热作用

答案　AD

解析　红外线衍射明显，A正确；γ射线穿透能力最强，B错误；晒黑皮肤是紫外线的作用，C错误；红外线有显著的热作用，D正确。

12．（电磁辐射）过量的电磁辐射对人体是有害的，按照规定，工作场所受到的电磁辐射强度（单位时间垂直单位面积的电磁辐射能量）不得超过某一临界值W0。

已知某一种手机的电磁辐射功率为P，若手机的电磁辐射在各个方向上是均匀的，则符合规定的安全区域到手机的距离至少为（　　）

A.

B.

C.

D.

答案　A

解析　设规定的安全区域距离为R，则对应球的面积为S＝4πR2。

在t时间内球面获得的能量为E＝Pt，球面上单位面积t时间内获得的电磁辐射能量E0＝

，由于工作场所受到的电磁辐射强度（单位时间内垂直通过单位面积的电磁辐射能量）不得超过W0，则W0＝

，所以R＝

，故A正确，B、C、D错误。

13．（电磁波谱）长波的波长范围为3000～30000m，短波的波长范围为10～50m，则长波的频率范围是________，短波的频率范围是________。

答案　10～100kHz　6～30MHz

解析　已知长波波长范围为30000～3000m，而波速c＝3.0×108m/s。

由c＝λf可知f1＝

Hz＝1×105Hz＝100kHz。

f2＝

Hz＝1×104Hz＝10kHz，则长波频率在10～100kHz之间。

同理可读出短波波长在50～10m之间，则频率范围在6～30MHz之间。

14．（综合）寻找马航失联飞机是全球关注的热点，也是各国高科技综合实力的体现和展示。

搜寻失联飞机的黑匣子主要依靠电磁波技术和超声定位（即声呐）技术。

电磁波是指在空间传播的交变电磁场，在真空中的传播速度为3.0×108m/s，无线电波是其中的一种电磁波。

无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，它们的产生方式不尽相同，波的长度也不同，把它们按波长顺序排列就构成了电磁波谱，如图所示。

请根据上述信息及所学知识，结合电磁波谱图回答：

（1）最早发现白光（即可见光）可以发生色散，分解成七种颜色光的物理学家是________；其中，三原色光中波长最短的是________光。

（2）广播和电视利用电磁波谱中________来传递声音和图像；飞机黑匣子发出的电磁波信号，在海水中迅速衰减，无法传播，所以黑匣子必须装有能发出________波信号的装置与其同时工作，以便利用声呐系统寻找海水中的黑匣子位置。

（3）请观察电磁波谱中各种波的波长与频率的关系，可以得出初步结论：

________________________。

请进一步观察和计算电磁波谱中各种波的波长与频率的关系，可以得出结论：

____________________________________。

答案　

（1）牛顿　蓝　

（2）无线电波　声

（3）波的频率越高，波长越短　各种波的频率与波长成反比（或各种波的频率与波长乘积相等，且等于光速）

解析　

（1）物理学家牛顿最早发现白光（即可见光）可以发生色散现象；色光的三原色是红、绿、蓝，三原色光中波长最短的是蓝光。

（2）广播和电视利用电磁波谱中无线电波来传递声音和图像；飞机黑匣子发出的电磁波信号，在海水中迅速衰减，无法传播，所以黑匣子必须装有能发出声波信号的装置与其同时工作，以便利用声呐系统寻找海水中的黑匣子位置。

（3）根据电磁波谱中各种波的波长与频率的关系，可以得出：

波的频率越高，波长越短。

由c＝fλ可得：

各种波的频率与波长成反比（或各种波的频率与波长乘积相等，且等于光速）。